Caractéristiques des matériaux composites

Du fait de l’hétérogénéité, les propriétés de coupe des matériaux sont directement liées aux différents types de matrices et de fibres utilisés et à leurs interactions. Ce paragraphe propose un inventaire des composants couramment rencontrés et des différents types de matériaux pouvant être élaborés. Cette présentation se limite aux matériaux composites à matrice organique et à renforts fibreux qui représentent 99% du marché [Reyne98]. Néanmoins, il existe aussi des composites à matrice inorganique (métallique ou céramique), dont la diffusion reste encore marginale.

1.1.1. Les matrices

La matrice sert à lier les fibres de renfort, à répartir les efforts et permet aussi de donner la forme voulue à la structure [Reyne98]. Les résines thermodurcissables (TD) sont les plus utilisées en raison de leur coût, de leur facilité de mise en œuvre et de leur performance. Cependant l’emploi de résines thermoplastiques (TP) se développe de plus en plus, notamment avec l’évolution des procédés de fabrication. Le Tableau 2-1 résume les différences fondamentales de ces deux types de matrice [Reyne98]. Pour les TP, les résines les plus utilisées sont les technoplastiques ainsi que le polypropylène qui présente l’avantage d’être peu onéreux [Reyne98] (voir le Tableau 2-2). En ce qui concerne les résines TD, le polyester est le plus utilisé pour les applications courantes, les résines époxydes sont réservées à des applications plus exigeantes, notamment aéronautiques.

Chapitre 2 : Finition avec outil coupant

TP (thermoplastiques) TD (thermodurcissables)

Etat de base ^{Solide (prêt à l’emploi :}

polymérisé)

Liquide visqueux (à polymériser)

Stockage matière

de base ^Illimité

Temps réduit (en moyenne 20 jours à 20°C et 6 mois à -18°C)

Mouillabilité des

renforts ^{Difficile Aisée}

Moulage ^{Chauffage (fusion/ramollissement)}

+ refroidissement ^{Chauffage continu}

Cycle Court Plus long (polymérisation)

Caractéristiques spécifiques : - tenue aux chocs - tenue thermique - chutes et déchets - conditions de mise en œuvre Assez bonne Réduite Recyclables Bonnes + propreté Limitée

Bonne par rapport au TP

Perdus (ou utilisés comme charges)

Emanations pour méthode humide (allergies possibles) Tableau 2-1: critères essentiels des matrices TP et TD [Reyne98]

Reyne propose une analyse du comportement des résines lors de la coupe [Reyne98]. Certaines propriétés des matrices ont une influence directe sur leur usinabilité. En particulier, il convient de choisir des conditions d’usinage ne provoquant pas une hausse de température trop importante, sous peine de dégrader le matériau, car les matrices ont une tenue à la chaleur faible (entre 100 et 200°C). De plus, la lubrification est délicate à mettre en œuvre, car certaines matrices sont sensibles à l’humidité (polyamide, résine phénolique, époxyde…). Enfin, la plupart des matrices comportent des adjuvants (plastifiants, tensioactifs, stabilisants, catalyseurs…) qui modifient leurs propriétés. Il est donc indispensable de caractériser précisément la nature de la matrice du composite à usiner pour proposer un choix optimisé des conditions de coupe.

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TP (thermoplastiques) TD (thermodurcissables)

Polymère grande diffusion :

Polypropylène (PP)

Technoplastiques :

Polyamide (PA)

Polytéréphtalate éthylénique (PET) Polytéréphtalate butylénique (PBT) Polycarbonate (PC)

Polyoxyde de phénylène (PPO) Polyoxyméthylène (POM) Polyester Vinylester Phénolique Epoxyde Polyuréthane Bismaléimide (Hextool™)

Tableau 2-2: matrices les plus utilisées pour les matériaux composites [Reyne98]

1.1.2. Les renforts

En général, les structures composites ont un comportement anisotrope, les fibres ont de bonnes performances en traction, moins bonnes en compression et une faible résistance au cisaillement. Afin d’obtenir une structure résistante suivant des directions privilégiées, les fibres sont associées suivant un motif. En fonction des propriétés recherchées, trois typologies de renforcements peuvent être distinguées (Figure 2-1).

résistance unidirectionnelle

résistance multidirectionnelle résistance dans des

directions préférentielles orthogonales résistance unidirectionnelle résistance multidirectionnelle résistance dans des

directions préférentielles orthogonales

Chapitre 2 : Finition avec outil coupant

Ces typologies de renforcements peuvent se traduire par des types de renforcements différents (Tableau 2-3).

Résistance recherchée Type de renforcement

Unidirectionnelle

Multidirectionnelle :

- directions privilégiées

- directions aléatoires

- Fils parallèles sans torsion dit « roving » - Nappe de fils

- Fils coupés

- Mat à fibres continues - Tissu bi ou tri directionnel - Tresse

- Feutre de fils coupés dit « mats » Tableau 2-3: types de renforcements [Reyne98]

Ces différents types de fibres se déclinent suivant divers matériaux :

ƒ Les fibres de verre : ce sont les fibres les plus couramment utilisées, elles représentent 99% du marché si l’on ne tient pas compte du caoutchouc renforcé (pneumatique par exemple) [Bathias05]. Elles se déclinent sous toutes les formes citées dans le Tableau 2-3. De plus, il existe trois nuances de fibre de verres : E (usage courant), D (ayant des bonnes propriétés diélectriques, utilisées pour les circuits imprimés) et R (offrant une haute résistance mécanique). Les fibres de verre sont dures et abrasives, donc très usantes pour les outils de coupe.

ƒ Les fibres de carbone : elles sont très coûteuses mais offrent des propriétés mécaniques supérieures aux fibres de verre en termes de résistance mécanique et de module d’élasticité. Elles sont également dures et donc usantes pour les outils, cependant le carbone joue un rôle de lubrifiant et améliore l’usinabilité [Bathias05]. Il existe deux grandes familles de fibre de carbone : les fibres à haute résistance mécanique et les fibres à haut module d’élasticité.

ƒ Les fibres organiques : il en existe une multitude de fibres organiques (polyamide 6-6, polyester, nomex, aramide, zylon, dyneema…), la plus utilisée étant la fibre d’aramide souvent appelée Kevlar®. La fibre d’aramide se déforme plastiquement en compression, elle est tenace, il est donc difficile de la couper et de l’usiner [Bathias05].

Il existe également des fibres aux oxydes de bore et au carbure de silicium, ces fibres sont surtout utilisées pour renforcer des composites à matrice métallique ou céramique

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[Bathias05]. Les fibres renforts sont caractérisées par leur titre (tex) qui correspond au poids en grammes d’un kilomètre de fil [Reyne98].

1.1.3. Les composites

Le développement des matériaux composites est assez récent et connait une évolution permanente et rapide. Les matériaux composites sont des matériaux « à la carte », en effet pour une structure donnée, Les propriétés physiques et mécaniques peuvent être ajustées en fonction du type de matrice, de renforts et de l’orientation. Il existe donc une grande variété de matériaux employés, chacun possédant son propre comportement lors de l’usinage. Les systèmes sandwich viennent compléter ce panel de matériaux. Ils proposent un compromis permettant à la fois de rigidifier et d’alléger une structure mais aussi de l’isoler thermiquement et phoniquement. Un composite sandwich est composé de trois éléments de base [Reyne98] (Figure 2-2) :

ƒ L’âme qui, sous une faible masse spécifique, apporte une tenue à la flexion. Elle supporte les efforts de compression et de cisaillement et peut jouer un rôle d’isolant.

ƒ Les peaux, généralement planes, en composites (GD ou HP) qui supportent les efforts de flexion.

ƒ L’adhésif de surface, ou interface, qui solidarise ces trois éléments.

peaux

Composite

sandwich

âme

peaux

Composite

sandwich

âme

Figure 2-2: composite sandwich avec une âme en nid d'abeilles

La grande diversité des matériaux composites rend complexe la définition d’opérations d’usinage. Comme ces procédés permettent d’obtenir une géométrie très proche de la géométrie finale de la pièce, les usinages à réaliser sont donc généralement limités à des opérations de détourage et de perçage. En effet, les procédés de mise en forme rendent souvent indispensable une opération de détourage pour retirer la bavure et une opération de perçage pour réaliser les ouvertures de faible diamètre nécessaires à l’assemblage. Malgré les

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techniques d’assemblage par collage (pour les TD) et soudage par fusion ou ultrasons (pour les TP), les assemblages par rivetage ou boulonnage sont largement employés [Reyne98].